C语言嵌入式系统编程修炼之屏幕操作

这是我13年前创作和发表在互联网上的文章，这么多年过去了，这篇文章仍然在到处传播。现在贴回Linuxer公众号。

全文目录：

C语言嵌入式系统编程修炼之道——背景篇

C语言嵌入式系统编程修炼之道——软件架构篇

1.模块划分

2.多任务还是单任务

3.单任务程序典型架构

4.中断服务程序

5.硬件驱动模块

6.C的面向对象化

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——内存操作篇

1.数据指针

2.函数指针

3.数组vs.动态申请

4.关键字const

5.关键字volatile

6.CPU字长与存储器位宽不一致处理

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——屏幕操作篇

1.汉字处理

2.系统时间显示

3.动画显示

4.菜单操作

5.模拟MessageBox函数

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——键盘操作篇

1.处理功能键

2.处理数字键

3.整理用户输入

总结

C语言嵌入式系统编程修炼之道——性能优化篇

1.使用宏定义

2.使用寄存器变量

3.内嵌汇编

4.利用硬件特性

5.活用位操作

总结

汉字处理

　　现在要解决的问题是，嵌入式系统中经常要使用的并非是完整的汉字库，往往只是需要提供数量有限的汉字供必要的显示功能。例如，一个微波炉的LCD上没有必要提供显示"电子邮件"的功能；一个提供汉字显示功能的空调的LCD上不需要显示一条"短消息"，诸如此类。但是一部手机、小灵通则通常需要包括较完整的汉字库。

　　如果包括的汉字库较完整，那么，由内码计算出汉字字模在库中的偏移是十分简单的：汉字库是按照区位的顺序排列的，前一个字节为该汉字的区号，后一个字节为该字的位号。每一个区记录94个汉字，位号则为该字在该区中的位置。因此，汉字在汉字库中的具体位置计算公式为：94*(区号-1)+位号-1。减1是因为数组是以0为开始而区号位号是以1为开始的。只需乘上一个汉字字模占用的字节数即可，即：(94*(区号-1)+位号-1)*一个汉字字模占用字节数，以16*16点阵字库为例，计算公式则为：(94*(区号-1)+(位号-1))*32。汉字库中从该位置起的32字节信息记录了该字的字模信息。

　　对于包含较完整汉字库的系统而言，我们可以以上述规则计算字模的位置。但是如果仅仅是提供少量汉字呢？譬如几十至几百个？最好的做法是：

　　定义宏：

# define EX_FONT_CHAR(value) 
# define EX_FONT_UNICODE_VAL(value) (value)
# define EX_FONT_ANSI_VAL(value) (value)

定义结构体：

typedef struct _wide_unicode_font16x16 
{
　WORD value; /* 内码 */
　BYTE data[32]; /* 字模点阵 */
}Unicode;
#define CHINESE_CHAR_NUM … /* 汉字数量 */    

　字模的存储用数组：

Unicode chinese[CHINESE_CHAR_NUM] =
{
{
EX_FONT_CHAR("业")
EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e1a)
{0x04, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x44, 0x44, 0x46, 0x24, 0x4c, 0x24, 0x48, 0x14, 0x50, 0x1c, 0x50, 0x14, 0x60, 0x04, 0x40, 0x04, 0x40, 0x04, 0x44, 0xff, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}
},
{
EX_FONT_CHAR("中")
EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e2d)
{0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x21, 0x08, 0x3f, 0xfc, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 0x21, 0x08, 
0x3f, 0xf8, 0x21, 0x08, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00}
},
{
EX_FONT_CHAR("云")
EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4e91)
{0x00, 0x00, 0x00, 0x30, 0x3f, 0xf8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0c, 0xff, 0xfe, 0x03, 0x00, 0x07, 0x00, 

0x06, 0x40, 0x0c, 0x20, 0x18, 0x10, 0x31, 0xf8, 0x7f, 0x0c, 0x20, 0x08, 0x00, 0x00}
},
{
EX_FONT_CHAR("件")
EX_FONT_UNICODE_VAL(0x4ef6)
{0x10, 0x40, 0x1a, 0x40, 0x13, 0x40, 0x32, 0x40, 0x23, 0xfc, 0x64, 0x40, 0xa4, 0x40, 0x28, 0x40, 0x2f, 0xfe, 

0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40, 0x20, 0x40}
}
}

　　要显示特定汉字的时候，只需要从数组中查找内码与要求汉字内码相同的即可获得字模。如果前面的汉字在数组中以内码大小顺序排列，那么可以以二分查找法更高效的查找到汉字的字模。

　　这是一种很有效的组织小汉字库的方法，它可以保证程序有很好的结构。

　　系统时间显示

　　从NVRAM中可以读取系统的时间，系统一般借助NVRAM产生的秒中断每秒读取一次当前时间并在LCD上显示。关于时间的显示，有一个效率问题。因为时间有其特殊性，那就是60秒才有一次分钟的变化，60分钟才有一次小时变化，如果我们每次都将读取的时间在屏幕上完全重新刷新一次，则浪费了大量的系统时间。

　　一个较好的办法是我们在时间显示函数中以静态变量分别存储小时、分钟、秒，只有在其内容发生变化的时候才更新其显示。

extern void DisplayTime(…)
{
　static BYTE byHour,byMinute,bySecond;
　BYTE byNewHour, byNewMinute, byNewSecond;
　byNewHour = GetSysHour();
　byNewMinute = GetSysMinute();
　byNewSecond = GetSysSecond();
　
　if(byNewHour!= byHour)
　{
　　… /* 显示小时 */
　　byHour = byNewHour;
　}
　if(byNewMinute!= byMinute)
　{
　　… /* 显示分钟 */
　　byMinute = byNewMinute;
　}
　if(byNewSecond!= bySecond)
　{
　　… /* 显示秒钟 */
　　bySecond = byNewSecond;
　}
}    

　　这个例子也可以顺便作为C语言中static关键字强大威力的证明。当然，在C++语言里，static具有了更加强大的威力，它使得某些数据和函数脱离"对象"而成为"类"的一部分，正是它的这一特点，成就了软件的无数优秀设计。

　动画显示

　　动画是无所谓有，无所谓无的，静止的画面走的路多了，也就成了动画。随着时间的变更，在屏幕上显示不同的静止画面，即是动画之本质。所以，在一个嵌入式系统的LCD上欲显示动画，必须借助定时器。没有硬件或软件定时器的世界是无法想像的：

　　（1） 没有定时器，一个操作系统将无法进行时间片的轮转，于是无法进行多任务的调度，于是便不再成其为一个多任务操作系统；

　　（2） 没有定时器，一个多媒体播放软件将无法运作，因为它不知道何时应该切换到下一帧画面； 

　　（3） 没有定时器，一个网络协议将无法运转，因为其无法获知何时包传输超时并重传之，无法在特定的时间完成特定的任务。

　　因此，没有定时器将意味着没有操作系统、没有网络、没有多媒体，这将是怎样的黑暗？所以，合理并灵活地使用各种定时器，是对一个软件人的最基本需求！

　　在80186为主芯片的嵌入式系统中，我们需要借助硬件定时器的中断来作为软件定时器，在中断发生后变更画面的显示内容。在时间显示"xx:xx"中让冒号交替有无，每次秒中断发生后，需调用ShowDot：

void ShowDot()
{
　static BOOL bShowDot = TRUE; /* 再一次领略static关键字的威力 */
　if(bShowDot)
　{
　　showChar(’:’,xPos,yPos);
　}
　else
　{
　　showChar(’ ’,xPos,yPos);
　}
　bShowDot = ! bShowDot;
}

菜单操作

　　无数人为之绞尽脑汁的问题终于出现了，在这一节里，我们将看到，在C语言中哪怕用到一丁点的面向对象思想，软件结构将会有何等的改观！

　　笔者曾经是个笨蛋，被菜单搞晕了，给出这样的一个系统：

　要求以键盘上的"← →"键切换菜单焦点，当用户在焦点处于某菜单时，若敲击键盘上的OK、CANCEL键则调用该焦点菜单对应之处理函数。我曾经傻傻地这样做着：

/* 按下OK键 */
void onOkKey()
{
　/* 判断在什么焦点菜单上按下Ok键，调用相应处理函数 */
　Switch(currentFocus)
　{
　　case MENU1:
　　　menu1OnOk();
　　　break;
　　case MENU2:
　　　menu2OnOk();
　　　break;
　　…
　}
}
/* 按下Cancel键 */
void onCancelKey()
{
　/* 判断在什么焦点菜单上按下Cancel键，调用相应处理函数 */
　Switch(currentFocus)
　{
　　case MENU1:
　　　menu1OnCancel();
　　　break;
　　case MENU2:
　　　menu2OnCancel();
　　　break;
　　…
　}
}

　　终于有一天，我这样做了：

/* 将菜单的属性和操作"封装"在一起 */
typedef struct tagSysMenu
{
　char *text; /* 菜单的文本 */
　BYTE xPos; /* 菜单在LCD上的x坐标 */
　BYTE yPos; /* 菜单在LCD上的y坐标 */
　void (*onOkFun)(); /* 在该菜单上按下ok键的处理函数指针 */
　void (*onCancelFun)(); /* 在该菜单上按下cancel键的处理函数指针 */
}SysMenu, *LPSysMenu;

　当我定义菜单时，只需要这样：

static SysMenu menu[MENU_NUM] =
{
　{
　　"menu1", 0, 48, menu1OnOk, menu1OnCancel
　}
　,
　{
　　" menu2", 7, 48, menu2OnOk, menu2OnCancel
　}
　,
　{
　　" menu3", 7, 48, menu3OnOk, menu3OnCancel
　}
　,
　{
　　" menu4", 7, 48, menu4OnOk, menu4OnCancel
　}
　…
};

OK键和CANCEL键的处理变成：

/* 按下OK键 */
void onOkKey()
{ 
　menu[currentFocusMenu].onOkFun(); 
}
/* 按下Cancel键 */
void onCancelKey()
{
　menu[currentFocusMenu].onCancelFun(); 
}

　程序被大大简化了，也开始具有很好的可扩展性！我们仅仅利用了面向对象中的封装思想，就让程序结构清晰，其结果是几乎可以在无需修改程序的情况下在系统中添加更多的菜单，而系统的按键处理函数保持不变。

　　面向对象，真神了！ 

　模拟MessageBox函数

　　MessageBox函数，这个Windows编程中的超级猛料，不知道是多少入门者第一次用到的函数。还记得我们第一次在Windows中利用MessageBox输出 "Hello,World!"对话框时新奇的感觉吗？无法统计，这个世界上究竟有多少程序员学习Windows编程是从MessageBox("Hello,World!",…)开始的。在我本科的学校，广泛流传着一个词汇，叫做"’Hello,World’级程序员"，意指入门级程序员，但似乎"’Hello,World’级"这个说法更搞笑而形象。

　图2给出了两种永恒经典的Hello,World对话框，一种只具有"确定"，一种则包含"确定"、"取消"。是的，MessageBox的确有，而且也应该有两类！这完全是由特定的应用需求决定的。

　　嵌入式系统中没有给我们提供MessageBox，但是鉴于其功能强大，我们需要模拟之，一个模拟的MessageBox函数为：

/******************************************
/* 函数名称: MessageBox
/* 功能说明: 弹出式对话框,显示提醒用户的信息
/* 参数说明: lpStr --- 提醒用户的字符串输出信息
/* TYPE --- 输出格式(ID_OK = 0, ID_OKCANCEL = 1)
/* 返回值: 返回对话框接收的键值,只有两种 KEY_OK, KEY_CANCEL
/******************************************
typedef enum TYPE { ID_OK,ID_OKCANCEL }MSG_TYPE;
extern BYTE MessageBox(LPBYTE lpStr, BYTE TYPE)
{
　BYTE keyValue = -1;

　ClearScreen(); /* 清除屏幕 */
　DisplayString(xPos,yPos,lpStr,TRUE); /* 显示字符串 */
　/* 根据对话框类型决定是否显示确定、取消 */
　switch (TYPE)
　{
　　case ID_OK:
　　　DisplayString(13,yPos+High+1, " 确定 ", 0);
　　　break;
　　case ID_OKCANCEL:
　　　DisplayString(8, yPos+High+1, " 确定 ", 0);
　　　DisplayString(17,yPos+High+1, " 取消 ", 0);
　　　break;
　　default:
　　　break;
　}
　DrawRect(0, 0, 239, yPos+High+16+4); /* 绘制外框 */
　/* MessageBox是模式对话框，阻塞运行，等待按键 */
　while( (keyValue != KEY_OK) || (keyValue != KEY_CANCEL) )
　{
　　keyValue = getSysKey();
　}
　/* 返回按键类型 */
　if(keyValue== KEY_OK)
　{
　　return ID_OK;
　}
　else
　{
　　return ID_CANCEL;
　}
}

　上述函数与我们平素在VC++等中使用的MessageBox是何等的神似啊？实现这个函数，你会看到它在嵌入式系统中的妙用是无穷的。

　　总结

　　本篇是本系列文章中技巧性最深的一篇，它提供了嵌入式系统屏幕显示方面一些很巧妙的处理方法，灵活使用它们，我们将不再被LCD上凌乱不堪的显示内容所困扰。

　　屏幕乃嵌入式系统生存之重要辅助，面目可憎之显示将另用户逃之夭夭。屏幕编程若处理不好，将是软件中最不系统、最混乱的部分，笔者曾深受其害。

本系列文章未完待续